超聲波在水處理中的應(yīng)用

超聲波在水處理中的應(yīng)用摘要：介紹了超聲波降解水體中污染物的降解原理。從超聲的系統(tǒng)因素包括頻率和聲強(qiáng)；化學(xué)因素包括溶解氣體、pH值、反應(yīng)溫度等的多個(gè)方面介紹了影響降解效率的因素，同時(shí)介紹了超聲波在水處理中的應(yīng)用及與其他相關(guān)技術(shù)聯(lián)合使用的最新科研成果。關(guān)鍵詞：超聲波；空化作用；水處理1927年，美國(guó)學(xué)者Richards發(fā)現(xiàn)超聲波有加速二甲基硫酸醋的水解和亞硫酸還原碘化鉀反應(yīng)的作用，這是超聲輻照化學(xué)效應(yīng)首次為人發(fā)現(xiàn)。直至80年代，聲化學(xué)作為一門利用超聲加速化學(xué)反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)速率的邊緣學(xué)科興起。九十年代初，國(guó)外才有報(bào)道用超聲空化降解水體中有毒有機(jī)物的研究工作。近年來(lái)，在美國(guó)、日本、法國(guó)、加拿大和德國(guó)等大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究所紛紛致力于超聲空化降解有機(jī)污染物的研究。超聲波是一種高頻機(jī)械波，具有波長(zhǎng)較短，能量集中，沿直線傳播的特點(diǎn)。而超聲波技術(shù)具有簡(jiǎn)便、高效、無(wú)污染或少污染的特點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)新型水處理技術(shù)。它集高級(jí)氧化、熱解、超臨界氧化等技術(shù)于一體，且降解速度快、能將水體中有害有機(jī)物轉(zhuǎn)變成CO2、H2O、無(wú)機(jī)離子或比原有機(jī)物毒性小易降解的有機(jī)物，因而在處理難生物降解有機(jī)污染物方面具有顯著的優(yōu)越性。1.超聲機(jī)理超聲波指頻率在15kHz以上的聲波，在溶液中以一種球面波的形式傳遞，一般公認(rèn)為頻率范圍在15kHz到1MHz的超聲輻照溶液會(huì)引起許多化學(xué)變化。當(dāng)一定強(qiáng)度的超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等一系列效應(yīng)。這些效應(yīng)可歸納為下列三種基本作用：=1\*GB3①.機(jī)械作用。超聲波是機(jī)械能量的傳播形式，與波動(dòng)過程有關(guān)，會(huì)產(chǎn)生線性效變的振動(dòng)作用。超聲波液體中傳播時(shí)，其同質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加質(zhì)點(diǎn)位移振幅雖然很小，但超聲引起的質(zhì)點(diǎn)加速度卻非常大。若20KHz、1W/平方厘米的超聲波在水中傳播，則其產(chǎn)生的聲壓幅值為173Kpa，這意味著聲壓幅值每秒種內(nèi)要在正負(fù)173Kpa之間變化2萬(wàn)次，最大質(zhì)點(diǎn)的加速度達(dá)144萬(wàn)米每二次方秒，大約為重力加速度的1500倍，這樣激烈而快速變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就是功率超聲的機(jī)械振動(dòng)效應(yīng)。=2\*GB3②.空化作用。超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定期強(qiáng)度，液體中聲場(chǎng)作用區(qū)域形成局部的暫時(shí)負(fù)壓，使液體中的微氣泡生長(zhǎng)、澎脹至突然破裂，導(dǎo)致氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，形成局部點(diǎn)的高溫高壓，空化泡崩潰時(shí)，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的應(yīng)。，在空化泡周圍極小空間內(nèi)產(chǎn)生5000K的瞬態(tài)高溫和約50mpa的高壓，且溫度冷卻率達(dá)10的9次方k/s，并伴有強(qiáng)烈沖擊波和時(shí)速達(dá)400Km的射流，就是超聲空化效應(yīng)。=3\*GB3③.熱作用。超聲波在媒質(zhì)中傳播，其振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏棺陨頊囟壬?。聲能不間斷的吸收可引起媒質(zhì)中的整體加熱，邊界外的局部加熱和空化形成激波時(shí)，波前處的局部邊界外的局部加熱和空化形成激波時(shí)，波前處的局部加熱等，這就是功率超聲的熱作用。超聲化學(xué)機(jī)理=1\*GB3①.超聲催化。超聲催化反應(yīng)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。目前，有關(guān)反應(yīng)模型、機(jī)理的研究尚很模糊，但眾多的科研成果確認(rèn)了催化反應(yīng)的顯著效果。其主要作用：一是高溫高壓條件有利于反應(yīng)物裂解成自由基和二階炭，形成更為活潑的物種。二是沖擊波和微射流對(duì)固體表面有吸解和清洗作用。三是沖擊波可破壞反應(yīng)物結(jié)構(gòu)，分散反應(yīng)物系。四是超聲空化導(dǎo)致金屬品格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的形成，從而提高金屬化學(xué)反應(yīng)活性。超聲條件下的反應(yīng)速率比沒有超聲時(shí)增加了100000倍，且反應(yīng)時(shí)間大且反應(yīng)時(shí)間大大縮短。=2\*GB3②.超聲降解。超聲處理可以降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。超聲降解源于超聲的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)。影響超聲降解的主要因素=1\*GB3①超聲波頻率研究表明，并非頻率越高降解效果越好。超聲頻率與有機(jī)污染物的降解機(jī)理有關(guān)，以自由基為主的降解反應(yīng)存在一個(gè)最佳頻率；以熱解為主的降解反應(yīng)，當(dāng)超聲聲強(qiáng)大于空化閾值時(shí)，隨著頻率的增大，聲解效率增大。=2\*GB3②超聲功率強(qiáng)度超聲功率強(qiáng)度是指單位聲發(fā)射端面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射至反應(yīng)系統(tǒng)中的總聲能，一般以單位輻照面積上的功率來(lái)衡量。一般來(lái)說(shuō)，超聲功率強(qiáng)度越大越有利于降解反應(yīng)，但過大時(shí)又會(huì)使空化氣泡產(chǎn)生屏蔽，可利用超聲功率強(qiáng)度能量減少，降解速度下降。=3\*GB3③溶解氣體溶解氣體的存在可提供空化核、穩(wěn)定空化效果、降低空化閾，對(duì)超聲降解速率和降解程度的影響主要有兩個(gè)方面的原因：溶解氣體對(duì)空化氣泡的性質(zhì)和空化強(qiáng)度有重要的影響；溶解氣體如N2O2產(chǎn)生的自由基也參與降解反應(yīng)過程，因此，影響反應(yīng)機(jī)理和降解反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。=4\*GB3④pH值對(duì)于有機(jī)酸堿性物質(zhì)的超聲降解，溶液pH值具有較大影響。當(dāng)溶液pH值較小時(shí)，有機(jī)物質(zhì)在水溶液中以分子形式存在為主，容易接近空化泡的氣液界面，并可以蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，在空化泡內(nèi)直接熱解；同時(shí)又可以在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同空化產(chǎn)生的自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率高。當(dāng)溶液pH值較大時(shí),有機(jī)物質(zhì)發(fā)生電離以離子形式存在于溶液中，不能蒸發(fā)進(jìn)入空化泡內(nèi)，只能在空化泡的氣液界面上和本體溶液中同自由基發(fā)生氧化反應(yīng)，降解效率較低超聲降解發(fā)生在空化核內(nèi)或空化氣泡的氣-液界面處，離子不易接近氣-液界面，很難進(jìn)入空化泡內(nèi)，因此，溶液的pH值調(diào)節(jié)應(yīng)盡量有利于有機(jī)物以中性分子的形態(tài)存在并易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內(nèi)部。=5\*GB3⑤溫度溫度對(duì)超聲空化的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)過程具有非常重要的影響，從而造成超聲降過程中,采用超聲波的分散效應(yīng),使TiO2均勻分散,提高其催化活性。=4\*GB3④超聲/脫附聯(lián)用技術(shù)吸附法是常見的水處理技術(shù),但吸附劑的再生一直未得到很好的解決。1998年,S.R.Rege研究了在超聲作用下再生飽和酚的活性炭和高分子樹脂,并取得良好的效果。認(rèn)為超聲加速脫附的原因是聲空化引起的微射流強(qiáng)化了酚的孔擴(kuò)散速度。2002年,李祥斌等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施加超聲波不僅可以改變?cè)诔Ｒ?guī)下已達(dá)平衡的NKAⅡ樹脂苯酚水體系的相平衡狀態(tài),使體系新的平衡狀態(tài)向吸附量減少的方向移動(dòng),而且通過超聲空化作用強(qiáng)化了相間質(zhì)量的傳遞過程,在超聲條件下的擴(kuò)散系數(shù)比常規(guī)條件下的擴(kuò)散系數(shù)約大一個(gè)數(shù)量級(jí),隨著超聲場(chǎng)聲強(qiáng)的增加,擴(kuò)散系數(shù)也增大。6結(jié)語(yǔ)超聲處理是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。不同物化性質(zhì)的污染物，因降解機(jī)理不同，超聲降解的效果也存在差異。利用超聲空化技術(shù)，只有針對(duì)具體的污染物，優(yōu)化反應(yīng)操作條件才能獲得最佳的超聲降解效果。目前有關(guān)超聲空化技術(shù)的研究主方向是，針對(duì)實(shí)際多組分難降解物系在降解機(jī)理、物質(zhì)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大等方面進(jìn)行深入的研究，使其最終成為一種適用、高效和低成本的水處理技術(shù)。參考文獻(xiàn)方婷,李滬萍,羅康碧,等.聲化學(xué)技術(shù)處理有機(jī)廢水的研究進(jìn)展[J].化工科技，2006，14(5)：40-45．馬軍,趙雷.超聲波降解水中有機(jī)物的影響因素[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2005，22(2)：141-150．[3]華彬,陸永生,唐春燕,等.含氯苯廢水的超聲降解研究[J].環(huán)境污染與防治，2001，23(3)：45-47．[4]陳偉、范瑾初，超聲降解水體中有機(jī)污染物技術(shù)綜述[J]，水污染防治，1999，18(10):475-460[5]朱昌平、何世傳、單鳴雷